CN102758192B - 一种半导体外延片载片盘及其支撑装置及mocvd反应室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体外延片的载片盘及其支撑装置及一种MOCVD反应室，所述半导体外延片的载片盘的上表面设有承载基片的载片腔，所述载片盘的下表面靠近载片盘外表面的位置具有与支承轴上端面相耦合的环形结构。所述支撑装置包括与载片盘耦合连接的支承轴，该支承轴为空心轴。所述MOCVD反应室包括环形的反应室壁，位于该反应室壁内侧的支承轴，装在支承轴顶端的载片盘，该载片盘上方设有喷淋头，其结构特点是，所述载片盘为上述的半导体外延片的载片盘，所述支承轴为上述的空心轴，所述空心轴内装有固定轴，所述载片盘下方设有加热器。使用这种方式的载片盘结构简单，简化了载盘的制造工艺，同时这种载盘在满足强度的前提下可以做的更薄，既节省了材料，又提高了载片盘的温度变化速率。

Description

一种半导体外延片载片盘及其支撑装置及MOCVD反应室

技术领域

本发明涉及一种用于半导体外延设备的装置，特别涉及一种用于MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）的载片盘及与其配合的支撑和旋转连接装置；以及使用这种装置的反应室。

背景技术

MOCVD设备，即金属有机物化学气相沉积设备是生产第三代半导体材料GaN（GaAs、AlN等）最主要的设备；是半导体产业中的关键设备。该设备集计算流体力学、热力传导、系统集成控制、化合物生长等各学科于一体，是一种高科技、新技术高度集中的设备；是突破产业发展瓶颈，提高产业水平的战略性高技术半导体装备。

MOCVD在沉积半导体材料时为了提高生产效率，提高设备利用率，一般每批次沉积20到60片，载片盘放置基片的面如图1所示，当前普遍使用的反应室结构如图2所示。沉积开始时由机械手将装载有基片的载片盘送入反应室；沉积过程中载片盘在旋转轴的带动下匀速旋转，转速可能为每分钟几十转到上千转之间；沉积完成后由机械手将载片盘取出。

目前加热盘式反应室中使用的载盘支撑结构主要有以下两种形式：第一种如图2所示，载片盘中间挖有一锥形孔，旋转轴与载片盘相连接的部分设计成与之相对应的锥形突起。载片盘与旋转轴之间通过锥面实现定位及动力传动。由于载片盘本身为陶瓷材料，可能存在强度不够的问题；因此载片盘中间可能需要镶嵌其它强度较好的材料来制作锥形孔，载片盘制作困难。再者这种结构对锥形孔周围的强度要求也较高，载片盘需要有较大的厚度，减少了载片盘的厚度选择区间，增加了载片盘的重量；这也增加了载片盘的热容量，降低了载片盘的变温速率。

第二种结构如图3所示，载片盘中间有一锥形突起，旋转轴与载片盘相连接的部分设计成一锥形凹槽，同样的载片盘与旋转轴之间通过锥面实现定位及动力传动。这种方式避免了在载片盘上打孔，载片盘中间部分的强度没有被削弱，载片盘的强度能够得到比较好的保证，因此载片盘的中间部分不需要镶嵌其他的材料；制作简单很多。但是其还是中间支撑方式，对载片盘的强度要求还是比较高。

上述两种载片盘与旋转轴的连接形式能够实现载片盘的方便更换，但是两种结构下载片盘与旋转轴的耦合接触面都比较小，不容易保证载片盘的上表面与旋转轴轴线的垂直度；并且当旋转轴的速度发生较大改变时，载片盘与旋转轴之间还可能出现相对滑动，使载片盘的转速控制不准确，并且还会影响旋转轴与载片盘的使用寿命。

发明内容

针对上述现象，本发明的目的在于提供一种半导体外延片的载片盘，以及与该载片盘配合能够更好实现载片盘水平定位及减少载片盘与旋转轴出现相对滑动几率的支撑装置；同时给出了使用此装置的反应室。

该装置中的载片盘可以通过机械手在反应室中实现载片盘的放入及取出动作，旋转轴的支撑结构可以保证载片盘处于水平位置，载片盘在旋转轴带动下可以在各种需要的速度下平稳转动，为基片外延生长提供良好的条件。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种半导体外延片的载片盘，该载片盘上表面设有承载基片的载片腔，其结构特点是，所述载片盘的下表面靠近载片盘外表面的位置具有与支承轴上端面相耦合的环形结构。

由于采用圆周支撑的方式，有效地避免了载片盘和支承轴之间的相对滑动，减轻了载片盘的重量，延长了其使用寿命。

所述载片盘体的下表面靠近载片盘外表面的位置开有与支承轴上端面相配合的环形凹槽。由此，支承轴上端面伸入环形凹槽内，实现耦合。

所述载片盘体的下表面靠近载片盘外表面的位置具有与支承轴上端面相配合的锥面或环形台面。当载片盘的下表面外缘开有锥面时，支承轴上端面也具有与之进行耦合的锥面；当载片盘的下表面外缘开有环形台面时，支承轴上端面也具有与之进行耦合的环形台面，载片盘下表面的环形台面内侧亦具有锥面，支承轴上端面设有与载片盘锥面耦合的锥面。

由此，本发明的载片盘的背面（与放置基片相对的那个平面）开有与载片盘支撑结构相配合的凹槽（或凸缘），由圆筒形旋转轴的锥形部分与载片盘相应部分耦合。通过该耦合结构保证载片盘的水平，同时旋转轴的动力得以传递到载片盘上。

本发明还提供了一种用于支撑上述半导体外延片载片盘的支撑装置,包括与载片盘耦合连接的支承轴，其结构特点是，所述支承轴为空心轴。

所述空心轴由多段圆筒组合而成，且最上端的圆筒的直径较其它圆筒的直径大。

所述空心轴的顶端设有片状的支撑杆。由此，可旋转空心轴与载片盘相连接的锥形部分设计成支撑杆的形式，可以增加支撑部位的柔性。上述支撑杆的数量可以根据需要选择不同的数目。

进一步地，本发明还提供了一种MOCVD反应室，包括环形的反应室壁，位于该反应室壁内侧的支承轴，装在支承轴顶端的载片盘，该载片盘上方设有喷淋头，其结构特点是，所述载片盘为上述的半导体外延片的载片盘，所述支承轴为上述的空心轴，所述空心轴内装有固定轴，所述载片盘下方设有加热器。

所述空心轴内装有固定在固定轴顶端的隔板，该隔板位于加热器下方。所述隔板由耐高温的材料制成，其可为单层板，也可为多层结构板组成。

所述空心轴的内表面与固定轴之间、空心轴的外表面与反应室壁之间均设有密封结构，如磁流体密封。

所述载片盘下表面的凹槽上至少分布有一个锥面，所述空心轴上端具有锥面，该空心轴的锥面与凹槽的锥面耦合。

所述空心轴上开有多个通气孔，所述通气孔优选在空心轴上均匀、对称分布，所述固定轴内部设有气体通道，所述固定轴内部分布有为加热器电线、冷却水管预留的通道。

所述载片盘的圆形外表面下部为锥面，该锥面的轴线与载片盘的轴线重合，且载片盘的锥面与空心轴的锥面具有相同的锥度；所述载片盘的锥面与空心轴的锥面耦合。

藉由上述结构，一种MOCVD反应室，包含有放置于反应室中的载片盘、支撑载片盘的旋转空心轴、隔板以及构成反应室的固定部分。所述空心轴为分段的圆筒状空心结构；所述空心轴与载片盘相近的一端采用了锥形设计；所述载片盘的上表面设计有放置基片的圆形凹槽；所述载片盘的下方有加热装置，该加热装置处于空心轴内部。

所述载片盘下表面凹槽至少分布有一个与空心轴相耦合的锥面。空心轴上端的锥面与凹槽中的锥面耦合，依靠该耦合面完成载片盘的定位；空心轴通过此耦合面带动载片盘旋转。

除耦合的锥面外，载片盘及空心轴上其他的面不参与耦合。

本发明关于载片盘的下表面靠近载片盘外表面的位置具有与支承轴上端面相耦合的环形结构的一种具体形式为：所述载片盘的圆形外表面下部为锥面，该锥面轴线与载片盘轴线重合，即旋转空心轴的轴线与载片盘的轴线在同一条直线上；所述载片盘的锥面与空心轴的锥面具有相等的锥度。空心轴的锥面与载片盘的锥面耦合完成载片盘的定位（此时空心轴的环形平面与凸缘下表面之间有间隙），旋转轴通过此耦合结构带动载片盘旋转。由此，载片盘圆形外表面靠近背面的部分设计成锥面结构，锥面的最大直径与载片盘直径相等；旋转空心轴与载片盘相连接的部分也设计成相应的锥形结构。载片盘与旋转空心轴通过这两个锥面耦合连接。载片盘的定位通过这对耦合的锥面完成，旋转轴通过耦合锥面带动载片盘旋转。

本发明关于载片盘的下表面靠近载片盘外表面的位置具有与支承轴上端面相耦合的环形结构的另一种具体形式为：所述载片盘的圆形外表面的下部为锥形结构，锥面的最大直径小于载片盘的最大直径；从而在载片盘上部形成一凸缘。空心轴的锥面与载片盘上的锥面相耦合（此时空心轴的环形平面与凸缘下表面之间有间隙）；载片盘通过锥形耦合面完成定位，旋转轴通过此耦合结构带动载片盘旋转。由此，载片盘的圆形外表面的下部向内部凹进，形成锥面结构，锥面的最大直径小于载片盘直径，载片盘圆形外表面的上部形成一凸缘；旋转空心轴与载片盘相连接的部分设计成相应的锥形结构。载片盘与旋转空心轴通过锥面形成耦合，通过该耦合结构完成载片盘定位及旋转轴的动力传递。

本发明中的基片放置于载片盘上表面，载片盘背面与空心轴锥形部分耦合连接，反应气体从反应室上部接入，反应废气从空心轴内部排出，加热盘的电源线、冷却水管等也通过空心轴内部接进反应室。

所述旋转空心轴为具有分段结构的圆筒状空心结构，空心轴的一端被设计成具有小角度的锥形结构，另一端可以与同轴电机或其他驱动机构相连。支撑载片盘的锥面部分可以简化为几个片状的支撑杆，各支撑杆成均匀、对称分布。

所述载片盘上表面设计有放置基片的凹槽，另一面设计有一侧面呈锥面的环形凹槽，载片盘可以通过此凹槽与空心轴相耦合。从而可使载片盘处于水平位置，并且可以在空心轴的带动下平稳旋转。

所述载片盘的定位完全依靠耦合的锥面来完成。

与现有技术相比,本发明的有益效果是：本发明的载片盘与旋转轴相连接部位的接触面积更大，载片盘与旋转轴之间的连接更可靠，更容易实现载片盘的定位，在旋转轴带动载片盘旋转时更稳定、更不容易发生相对滑动，载片盘的中间是一块整体，整体性更好、热场更容易调整；有利于基片外延材料生长。并且支撑结构的跨度更大，能够更好的保证载片盘的水平。

使用本发明的载片盘结构简单，简化了载盘的制造工艺，同时这种载盘在满足强度的前提下可以做的更薄，既节省了材料，又提高了载片盘的温度变化速率。

附图说明

图1 是载片盘放置基片表面的结构示意图；

图2是一种当前使用的载片盘支撑结构及使用该结构的反应室示意图；

图3 是另一种当前使用的载片盘支撑结构示意图；

图4 是本发明一种实施例的结构示意图；

图5 是图4的局部放大图；

图6是本发明另一种实施例的结构示意图；

图7是本发明第三种实施例的结构示意图；

图8是本发明中空心轴采用支撑杆形式的空心轴结构示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明所述可机械手装卸的载片盘2及旋转空心轴6的结构示意图。反应室1上部为喷淋头15，四周为反应室壁14，载片盘2位于反应室1下方。载片盘2的上表面与载片盘2轴线垂直，载片盘2轴线与空心轴6的轴线重合。载片盘2的上表面放置有若干进行沉积的基片3，载片盘2下表面上的环形凹槽16与空心轴6上部的锥形部分耦合。如图5所示，耦合部分是载片盘2的凹槽16的锥面162与空心轴6的锥面62；此时凹槽16的底面161与空心轴6的端面64并不接触，定位全部依靠耦合的锥面来完成。在空心轴6内、载片盘2下方还有固定加热器4，用来给沉积过程中的基片加热；加热器下方还有一块与加热器4平行的隔板13，该隔板13与可旋转空心轴6的内表面之间只有很小的间隙，其主要作用是减少与加热器接触的反应气体及减少加热器的向下辐射的热量。可旋转空心轴6的外表面63与反应室壁14之间及可旋转空心轴6的内表面61与固定轴8的外表面之间有密封结构12，7。

所述载片盘2的下表面有凹槽，优选的凹槽16的锥面162与可旋转空心轴6锥面62的锥度相等。

所述空心轴6具有与载片盘2相耦合的锥面，优选的该锥面轴线与空心轴6轴线重合。

所述空心轴6上分布有通气孔5，优选的通气孔5以均匀、对称的方式分布在空心轴6上。

所述加热器4下方有隔板13，优选的该隔板由具有耐热、隔热功能，并且可为单层或多层结构。

所述加热器4下方有隔板13，优选的该隔板13边缘与空心轴6之间只有很小的间隙。

反应气体从反应室1上部的喷淋头15进入反应室，在载片盘2上表面的基片3的表面上发生反应，沉积出所要的薄膜。反应后的尾气及反应废弃物经过空心轴6上的通气孔5、固定轴8上的通气孔11、固定轴8上的气体通道10，最后通过排气口9排出反应室。沉积过程中载片盘2在可旋转空心轴6的带动下在需要的速度下稳定旋转，以在基片3表面获得均匀的反应物浓度。

实施例2

在本实施例中,载片盘2的下表面没有凹槽16；如图6所示，载片盘2的圆形外表面21的下部设计成锥面23；旋转空心轴6与载片盘2相对的一端设计成上大下小的锥面结构，即锥面62。载片盘2与旋转空心轴6通过这两个锥面23,62耦合连接。载片盘2的定位通过这对耦合的锥面23,62完成，旋转轴6通过耦合锥面带动载片盘2旋转。

其它结构与实施例1类似，不再赘述。

实施例3

在本实施例中,如图7所示；载片盘2的下表面也没有凹槽16，载片盘2的圆形外表面21的下部向内部凹进，形成锥面结构，但锥面最大直径比圆形外表面的直径要小，从而使载片盘2的上部形成一凸缘，凸缘下方有一环形面22；旋转空心轴6与载片盘2相连接的部分设计为锥形结构，并且该空心轴6上部的端面还有一个圆环形的面64。载片盘2与旋转空心轴6通过锥面形成耦合连接，此时凸缘下方的环形面22与空心轴6上部的环形面64之间有一微小间隙。载片盘2通过耦合的锥面定位，空心轴6通过耦合的锥面带动载片盘2旋转。

所述载片盘2的圆形外表面下部为锥形结构，优选的该锥面轴线与载片盘2轴线重合。

所述载片盘2的圆形外表面下部为锥形结构，优选的该锥面的锥度与可旋转空心轴6锥面的锥度相等。

所述凸缘的下部环形面22及空心轴6的环形面64可为其他结构，但是两者不接触。

其它结构与实施例1类似，不再赘述。

上述各实例中可旋转空心轴6支撑载片盘2的部分还可设计成如图8所示的采用延伸的支撑杆17来支撑载片盘2，支撑杆17的数目可以根据需要任选。

所述空心轴6上分布有支撑杆17，优选的各支撑杆17均匀、对称分布。

本发明中的载片盘2中间部分是一个整体，因而避免了图1与图2所示结构中由于中间旋转轴6传热导致载片盘2中间温度过低的现象。在图1与图2结构中的加热器一般都设计为三个独立的加热器：外圈加热器，中圈加热器及内圈加热器，而本发明中的加热器只需要设计两个独立的加热器：内圈加热器，外圈加热器，简化了加热器的设计。

本发明中载片盘2与可旋转空心轴6耦合部分的接触面积大，因此载片盘2的旋转会更稳定，另外载片盘2与可旋转空心轴6的定位跨度比图1、图2所示结构的定位跨度大，因此本发明中的结构更容易保证载片盘2的水平。

本发明中某些实例载片盘2的下表面完全是平面结构，因此其热场均匀性将更好。并且该结构的载片盘2结构简单，加工也会方便很多。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1. 一种MOCVD反应室，包括环形的反应室壁（14），位于该反应室壁（14）内侧的支承轴（6），装在支承轴（6）顶端的载片盘（2），该载片盘（2）上方设有喷淋头（15），其特征是，所述载片盘（2）为半导体外延片的载片盘（2），所述支承轴（6）为空心轴（6）, 该支承轴（6）与载片盘（2）耦合连接，所述空心轴（6）内装有固定轴（8），所述载片盘（2）下方设有加热器（4）：

所述半导体外延片的载片盘（2）上表面设有承载基片（3）的载片腔，所述载片盘（2）的下表面靠近载片盘外表面（21）的位置具有与支承轴（6）上端面相耦合的环形结构；

所述空心轴（6）上开有多个通气孔（5），所述固定轴（8）内部设有气体通道（10）。

2. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述空心轴（6）内装有固定在固定轴（8）顶端的隔板（13），该隔板（13）位于加热器（4）下方。

3. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述空心轴（6）的内表面（61）与固定轴（8）之间、空心轴（6）的外表面（63）与反应室壁（14）之间均设有密封结构（7,12）。

4. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述载片盘（2）下表面的凹槽（16）上至少分布有一个锥面（162），所述空心轴（6）上端具有锥面（62），该空心轴（6）的锥面（62）与凹槽（16）的锥面（162）耦合。

5. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述载片盘（2）的圆形外表面（21）下部为锥面（23），该锥面（23）的轴线与载片盘（2）的轴线重合，且载片盘（2）的锥面（23）与空心轴（6）的锥面（62）具有相同的锥度；所述载片盘（2）的锥面（23）与空心轴（6）的锥面（62）耦合。

6. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述载片盘体（2）的下表面靠近载片盘外表面（21）的位置开有与支承轴（6）上端面相配合的环形凹槽（16）。

7. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述载片盘体（2）的下表面靠近载片盘外表面（21）的位置具有与支承轴（6）上端面相配合的锥面（23）或环形台面（22）。

8. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述空心轴（6）由多段圆筒组合而成，且最上端的圆筒的直径较其它圆筒的直径大。

9. 根据权利要求1所述的MOCVD反应室，其特征是，所述空心轴（6）的顶端设有片状的支撑杆（17）。